Ледовая дорога

Тропа проложена по замерзшей воде, а не по суше

Ледяная дорога на озере Сайма в Финляндии.

Ледовая дорога между Оулунсало и Хайлуото . Это самая длинная ледовая дорога в Финляндии.

Грузовик на бывшей зимней дороге между Инувиком и Туктояктуком

Ледовая дорога, река Сент-Анн , Квебек , Канада

Ледовая дорога или ледяной мост ^{[1] [2] [3] [4]} — это искусственное сооружение, проходящее по замерзшей водной поверхности (реке, озеру или морскому водному пространству). ^{[5] [6] [7]} Ледовые дороги обычно являются частью зимней дороги , но они также могут быть простыми автономными сооружениями, соединяющими две береговые линии. ^{[8] [9]} Ледовые дороги могут планироваться, строиться и обслуживаться таким образом, чтобы оставаться безопасными и эффективными, и был опубликован ряд руководств с информацией по этому поводу. ^{[1] [4] [10] [11]} Ледовая дорога может строиться год за годом, например, для обслуживания общественных нужд в зимний период. ^{[4] [12]} Она также может строиться на один или два года, чтобы обеспечивать определенные операции, такие как гидроэнергетический проект ^[13] или морские буровые площадки. ^[14]

Несущая способность льда

Давления воды, связанные с плавучестью льда , при кратковременном вертикальном нагружении ледяного покрова (адаптировано из ^{[1] [5]} ). Не в масштабе — только для наглядности.

Способность ледяной дороги безопасно выдерживать вес транспортного средства (или любые другие нагрузки, приложенные к ней), называемая несущей способностью , является основной проблемой при проектировании, строительстве и использовании этой конструкции. Вообще говоря, вертикально нагруженный ледяной покров будет реагировать двумя способами: 1) он будет тонуть и 2) он будет изгибаться. ^{[1] [5]} Для того чтобы соответствовать критериям несущей способности льда, верхняя поверхность не должна опускаться ниже ватерлинии, а приложенное изгибающее напряжение не должно превышать прочность льда на изгиб . ^[15] Необходимо рассмотреть три режима нагрузки: a) максимальный вес для стандартного использования или для парковки в течение короткого периода времени; b) нагрузка, которая остается неподвижной в течение длительного периода времени; и c) динамическая нагрузка ледяного покрова от движущегося транспортного средства.

Максимальный вес

Для стандартных дорожных условий в рекомендациях обычно используется простая эмпирическая формула для определения максимального веса транспортного средства, разрешенного для движения по ледяной дороге. ^{[11] [16]} Эту формулу, которая была первоначально предложена в 1971 году, ^[17] часто называют формулой Голда :

${\displaystyle P=Ah^{2}}$

где P — нагрузка, h — толщина, а A — константа с единицей давления. Это может быть связано с идеализированным упругим откликом ледяного покрова: ^[1]

${\displaystyle \sigma _{\max }=CP/h^{2}{\text{ or }}CP=\sigma _{\max }h^{2}}$

где σ _max — максимальная прочность на растяжение в нижней части бесконечной ледяной пластины, покоящейся на упругом основании. Параметр C основан на теории толстых пластин . Следовательно, при этой идеализированной формулировке A является репрезентативным показателем прочности ледяного покрова на растяжение. Хотя рекомендуемые значения для A находятся в диапазоне от 3,5 до 10 кг/см ² (~ 50–150 фунтов/дюйм ² ), нижние граничные значения, как правило, те, которые используются в целях безопасности. ^{[11] [16]} Такой уровень консерватизма оправдан, поскольку, в отличие от искусственных материалов, таких как сталь или бетон, естественные ледяные покровы по своей природе содержат большое количество структурных дефектов (трещины, вода и воздушные карманы). ^[2] Более того, для общественной дороги, которая относительно неконтролируема, такой подход вводит высокий коэффициент безопасности против прорывов и, следовательно, желателен. Для промышленных дорог проект может быть менее консервативным, чтобы справиться с их функциональными требованиями, т. е. могут использоваться более высокие значения A , но под пристальным наблюдением профессионального инженера. ^{[4] [2]}

Максимальное время загрузки

Свободный борт на ледовой дороге в разные промежутки времени

При использовании формулы Голда предполагается чисто упругий отклик, который по определению мгновенный и независимый от времени нагрузки. Лед, однако, в природе существует при высокой гомологичной температуре , т.е. вблизи точки плавления. Как и в случае любого другого материала в этих условиях, отклик на нагрузку не только упругий, но и включает в себя другие компоненты, а именно: ^{[18] [19]}

1. Извлекаемый компонент , зависящий от времени – это вызывает развитие микротрещин, что может привести к разрыву и, в конечном итоге, прорыву;
2. Зависящий от времени невосстановимый компонент – его обычно называют ползучестью , который связан с механизмами, отвечающими за движение ледника (в долгосрочной перспективе), и играет незначительную роль в реакции ледовой дороги на нагрузку.

Таким образом, ледяной покров может быть в состоянии безопасно поддерживать транспортное средство, но если он остается на льду слишком долго, деформация будет продолжаться через микротрещины, что приведет к обрушению ледяного покрова под транспортным средством. Рекомендации относительно того, как этого можно избежать, различаются. ^{[11] [16]} Некоторые источники предписывают максимум два часа для неподвижной нагрузки, ^{[20] [3] [4]} что также рекомендовал Голд. ^[17] Другие советуют использовать надводный борт льда в качестве индикатора, ^{[18] [1] [2] [3]} что можно сделать, просверлив в нем отверстие и отслеживая расстояние между водой в отверстии и поверхностью льда. Транспортное средство следует убрать до того, как вода достигнет поверхности в этом отверстии. Другая причина, по которой величина надводного борта имеет значение, заключается в том, что если вода попадает на поверхность льда (через трещины и щели), несущая способность ледяного покрова быстро уменьшается, что может ускорить прорыв. ^{[15] [1]} Для долгосрочных нагрузок, возможно, придется проконсультироваться с профессиональным инженером. ^[4]

Динамическая загрузка

Ледяные волны, вызванные движущимся транспортным средством — вертикальное смещение поверхности льда, значительно преувеличенное для наглядности (см. вертикальную шкалу справа), указано как функция расстояния до транспортного средства. Адаптировано из ^[21] и основано на спутниковых снимках.

При движении транспортного средства по дороге на ледяной покров оказывается динамическое воздействие. ^{[1] [4]} Ниже определенной скорости, называемой критической , ледяной покров под транспортным средством примет форму чаши, движущейся вместе с транспортным средством, отталкивая воду вокруг себя, как это делает киль лодки. ^[1] При критической скорости (и выше) позади и впереди транспортного средства образуется серия волн . «Если скорость этих волн такая же, как скорость транспортного средства, то прогиб и напряжения в ледяном покрове усиливаются, подобно резонансу в колебательной системе» (стр. 8–10). ^[1] Критическая скорость зависит от толщины льда и глубины воды. Другая возникающая проблема — отражение этих волн от береговой линии обратно к транспортному средству. Это может вызвать дополнительные напряжения на льду — один из способов смягчить эту проблему — избегать приближения к береговой линии под углом 90 градусов. ^[4] Критическая скорость определяет ограничение скорости для транспортных средств, движущихся по ледяным дорогам. Этот предел может быть от 10 км/ч (6,2 миль/ч) до 35 км/ч (22 мили/ч). ^{[3] [4]} Динамическая нагрузка ледяного покрова также может диктовать минимальное расстояние между транспортными средствами. ^{[4] [2]}

Для лучшего понимания этой динамики были проведены полевые испытания. ^{[22] [23] [24]} Убедительные доказательства таких волновых моделей были получены с помощью спутниковых снимков. ^{[25] [21]}

Планирование и строительство

Низконапорный насос, используемый для затопления ледяной поверхности.

Чистый лед, покрытый искусственным белым льдом (рука/нога для масштаба справа)

Плоскости разломов в чистом льду – ботинок для масштаба внизу слева. Обратите внимание на отпечатки протекторов шин внизу справа.

Снегоход, используемый для буксировки саней, на которых установлен георадар, для получения непрерывного профиля толщины льда.

Когда ледовая дорога является частью зимней дороги , как это часто бывает, ее проектирование и строительство включаются в общее планирование дороги, т. е. в сочетании с наземными сегментами. ^[2] В любом случае, факторы, которые необходимо учитывать перед строительством, включают следующее:

• График и рабочие окна : Начало операции, т. е. когда полевая бригада начинает работать, зависит от толщины льда, которая достигается естественным образом (обычно под снежным покровом). Эта толщина должна быть достаточной, чтобы выдерживать вес легкого оборудования, которое затем используется для удаления снежного покрова. Этот снег действует как изолятор, и его удаление ускоряет рост льда на границе лед-вода (вдоль нижней части ледяного покрова).
• Тип и объем перевозок : речь идет об определении транспортных потребностей на период эксплуатации ( например , оборудование, расходные материалы, топливо) и средств доставки этих материалов ( например, типы транспортных средств, вес, объем перевозок).
• Полоса отвода дороги : Это относится к ширине дороги, необходимой для движения транспорта. Она может варьироваться от 30 м (98 футов) до 60 м (200 футов). В идеале она должна быть достаточно широкой, чтобы оставить место с обеих сторон для сугробов и снежных заносов, с дополнительным пространством между этим снегом и фактической полосой движения.
• Экологические и нормативные требования : Лицензии и разрешения различаются в зависимости от юрисдикции. Примерами могут служить ограниченные по времени разрешения на землепользование и доступ к водным источникам (для защиты озер и рек).

Факторы, которые необходимо учитывать при выборе маршрута, включают в себя следующее: ^{[2] [3] [12]}

• Более глубокая вода предпочтительнее, чтобы избежать проблем, связанных с динамической нагрузкой. Лед вдоль береговых линий и над отмелями склонен к растрескиванию.
• Избегайте мест, где есть сильные водные потоки, или рядом с устьями небольших рек и ручьев. Температура на границе лед-вода составляет 0 °C (32 °F), поток воды при немного более высокой температуре будет термически разрушать эту границу, тем самым уменьшая толщину льда. ^{[ необходима цитата ]}
• Рассмотрим последствия изменения уровня воды, например, выше по течению водоема, регулируемого плотинами.
• Анализ исторических ледовых условий с использованием местных знаний и спутниковых снимков может помочь выявить повторяющиеся проблемные зоны, такие как торосы.

Перед первым выходом на лед необходимо учесть следующие факторы: ^{[2] [4] [3]}

• Необходимо проявлять должную осторожность, в том числе использовать соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ), такие как плавсредства, а также пройти соответствующее обучение и работать в парах.
• Для дальнейшей оптимизации безопасности оборудование и принадлежности должны включать: радиостанции двусторонней связи, плавающие транспортные средства, лебедку на колесных транспортных средствах.
• Толщина льда может быть измерена с помощью ледовых буров, на требуемых интервалах расстояния или с помощью георадара (GPR). Это важно, поскольку ледяной покров может изменяться до 70% по толщине на протяжении нескольких сотен метров, а минимальная толщина льда используется для определения несущей способности всего ледяного покрова. ^[4]
• Бурение скважин может использоваться для сбора кернов льда, чтобы оценить его внутреннюю структуру, например, белый лед по сравнению с прозрачным льдом. ^[12]

Удаление снежного покрова является первой крупной операцией в схеме строительства ледовой дороги. ^{[2] [3] [12] [26]} Оно может начаться только после того, как толщина льда станет безопасной для поддержки техники, используемой для этой операции. Есть два способа сделать это, в зависимости от имеющегося оборудования и состояния практики для конкретной дороги. Один из них — утрамбовать слой снега гусеничными транспортными средствами в тонкий слой, тем самым увеличивая его плотность и снижая его изоляционные свойства. Другой — удалить его полностью, как правило, транспортными средствами, оснащенными снегоочистителем .

Как только лед достигнет целевой толщины (благодаря ускоренному росту после удаления изолирующего эффекта снега), можно начинать строительство дороги как таковое . В этот момент лед способен безопасно выдерживать более тяжелое оборудование, необходимое для этой фазы, которая в основном состоит из искусственного утолщения с использованием насоса или системы распыления. ^{[2] [5]} Цель состоит в том, чтобы довести толщину до той, которая требуется для самых тяжелых транспортных средств, которые ожидаются, когда откроется ледяная дорога.

Использование и обслуживание

Транспортные средства, передвигающиеся по ледяной дороге, включают обычные автомобили и грузовики различных размеров и веса. Достаточно стандартных зимних шин, т. е. шипы и цепи противоскольжения могут повредить дорожное покрытие. ^{[12] [26]} Однако цепи противоскольжения могут храниться в автомобиле для экстренных случаев; ^{[2] [4]} они также могут пригодиться при движении по зимней дороге с уклонами круче 8% на сухопутных участках. ^[2] Знаки могут указывать ограничения скорости, например, максимум 25 км/ч (16 миль/ч), и расстояние между транспортными средствами, например, 500 м (1600 футов) для грузов весом более 12 500 кг (27 600 фунтов). ^{[2] [4]} Эти ограничения направлены на снижение риска повреждения ледяного покрова, что может поставить под угрозу его способность выдерживать вес, на который он был рассчитан.

Техническое обслуживание включает в себя две основные задачи: ^{[3] [4] [2] [12]}

• Мониторинг толщины льда : это можно сделать с помощью бурения скважин или георадара.
• Мониторинг проходимости : Ледяная поверхность может ухудшаться в процессе использования. Она также может быть повреждена естественными процессами, такими как образование гребней и трещин, которые обычно вызываются резкими изменениями температуры воздуха.

Закрытие дороги

Ледовая дорога обычно закрывается в результате ухудшения состояния скользящей или эксплуатационной поверхности, до того, как возникнет риск разрушения ледяного покрова. ^[4] Ухудшение состояния поверхности может произойти, когда ледяная поверхность становится слишком мягкой или из-за чрезмерного количества талой воды на ее поверхности. ^{[3] [26]} Закрытие дорог в межсезонье также может происходить по аналогичным причинам, а также из-за ненастной погоды, например, метели. ^{[3] [12]} Если ледовая дорога является частью зимней дороги, то закрытие также может быть связано с тем, что наземный участок стал непригодным для эксплуатации.

Укрепление ледовой дороги

Пример укрепления ледяного покрова, где четыре слоя уложенных друг на друга деревянных бревен были вморожены в лед (в ^[27] из описания, приведенного в ^[17] ).

Ледовые переправы могут выдерживать более высокие нагрузки, если их укрепить, и в прошлом это делалось несколькими способами. ^{[27] [28] [29]} Кроме того, эти конструкции уязвимы к потеплению климата. ^{[30] [31]} Основная причина заключается в том, что для достижения безопасной толщины льда до начала строительства и с постепенным потеплением погоды осенью дорога открывается позже, тем самым сокращая эксплуатационное окно конструкции. Более того, если ледовая дорога является частью сети зимних дорог , ледовое укрепление может использоваться для решения проблемных участков, таких как переходы через ручьи или причалы.

Ссылки в СМИ

• Фильм 2008 года «Замерзшая река» рассказывает вымышленную историю двух женщин, которые занимаются торговлей нелегальными иммигрантами из Канады в США, перевозя их через замерзшую реку Святого Лаврентия на своей машине.

• Ледовые дороги Канады и Аляски были широко представлены в реалити-шоу Ice Road Truckers на канале History Channel .

• В триллере 2021 года «Ледяная дорога» особое внимание уделяется ледовым дорогам, по которым дальнобойщики едут через северную Канаду, чтобы доставить припасы после взрыва на шахте.

Смотрите также

• Подледная рыбалка и ее ледовые тропы
• Зимняя дорога от Тиббитта до Контвойто
• Зимняя дорога
• Снежная дорога
• Ледяной пирс
• Гонки на льду

Ссылки

1. CRREL, 2006, Руководство по ледовой инженерии. EM 1110-2-1612. Министерство армии, Инженерный корпус армии США. Нью-Джерси, 475 стр.
2. Проскин, С., Грозник, Э., Хейли, Д., Матисон, Ф., МакГрегор, Р. и Нет, В., 2011, Руководство по строительству и эксплуатации зимних дорог. Транспортная ассоциация Канады.
3. Ассоциация по охране труда и промышленной безопасности в инфраструктуре, 2014 г., Лучшие практики безопасного строительства и работы на ледяных покровах в Онтарио. Миссиссога, Онтарио, 44 стр.
4. Правительство Северо-Западных территорий, 2015, Руководство по безопасному строительству на льду. Департамент транспорта. Йеллоунайф, Канада, 44 стр.
5. Мастерсон, Д. и Лёсет, С., 2011, ISO 19906: Несущая способность льда и ледовых дорог, Труды 21-й Международной конференции по портовому и морскому строительству в арктических условиях (POAC), Монреаль, Канада.
6. Проскин, С.А. и Фицджеральд, А., 2019, Использование подхода предельных состояний при проектировании ледовых дорог, GeoSt.John's, Сент-Джонс.
7. Спенсер, П. и Ванг, Р., 2018, Проектная ширина плавучих ледовых дорог и влияние продольных трещин, Труды Арктической технологической конференции (ATC), Хьюстон.
8. Мишель, Б., Друэн, М., Лефевр, Л. М., Розенберг, П. и Мюррей, Р., 1974, Ледяные мосты проекта залива Джеймса. Канадский геотехнический журнал, 11, стр. 599–619.
9. Гофф, RD и Мастерсон, DM, 1986, Строительство острова из распыленного льда для разведки, Труды 5-й Международной конференции по оффшорной механике и арктической инженерии (OMAE). Американское общество инженеров-механиков (ASME), Токио, стр. 105–112.
10. Франссон, Л., 2009, Справочник инженеров по льду. Технический университет Лулео.
11. Barrette, PD, 2015, Обзор ледовых дорог в Канаде: проектирование, использование и адаптация к изменению климата. OCRE-TR-2015-011. Национальный исследовательский совет Канады, https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/object/?id=5984226f-bee8-48fe-a138-5a23c800f435. Оттава, 51 стр.
12. Правительство Саскачевана, 2010, Справочник по зимним дорогам. Министерство автомобильных дорог и инфраструктуры, Реджайна.
13. Мишель, Б., Друэн, М., Лефевр, Л. М., Розенберг, П. и Мюррей, Р., 1974. Ледяные мосты в проекте Джеймса. Канадский геотехнический журнал, 11: 599–619.
14. Финукейн, Р. Г. и Шер, Р. Л., 1983, Строительство плавучих ледяных дорог. Журнал технологий энергетических ресурсов, Труды ASME, 105(1), стр. 26–29.
15. Masterson, DM, 2009, Современные технологии в области несущей способности льда и строительства льда. Cold Regions Science and Technology, 58, стр. 99–112.
16. Barrette, PD, 2015, Обзор рекомендаций по ледовым дорогам в Канаде: Определение несущей способности, Транспортная ассоциация Канады (TAC), Шарлоттаун, Остров Принца Эдуарда.
17. Gold, LW, 1971, Использование ледяных покровов для транспортировки. Canadian Geotechnical Journal, 8, стр. 170–181.
18. Sinha, NK и Cai, B., 1996, Упруго-упруго-эластическое моделирование кратковременного прогиба пресноводных ледяных покровов. Cold Regions Science and Technology, 24, стр. 221–235.
19. Синха, НК, 2003, Вязкая и замедленно-упругая деформация во время первичной ползучести — использование испытания на релаксацию и восстановление деформации. Scripta Materialia, 48, стр. 1507–1512.
20. CSST, 1996, Траво на ледяных полях. ДК 200-640 (96-12). Правительство Квебека, 39 стр.
21. Babaei, H., van der Sanden, J., Short, N. и Barrette, P., 2016, Прогиб ледяного покрова озера, вызванный движущимися транспортными средствами: сравнение теоретических результатов со спутниковыми наблюдениями, Транспортная ассоциация Канады (TAC), Торонто.
22. Белтаос, С., 1981, Полевые исследования реакции плавучих ледяных щитов на движущиеся нагрузки. Канадский журнал гражданского строительства, 8, стр. 1–8.
23. Такизава, Т., 1988, Реакция плавающего ледяного покрова на постоянно движущуюся нагрузку. Журнал геофизических исследований, 93(C5), стр. 5100–5112.
24. Ван дер Винне, Г., Лантейн, М. и Снайдер, Дж., 2017, Измерение ледяного покрова под движущимися нагрузками, 19-й семинар по гидравлике рек, покрытых льдом. Комитет CGU HS по ледовым процессам на реках и окружающей среде (CRIPE), Уайтхорс, Канада.
25. Ван дер Санден, Дж. Дж. и Шорт, Нью-Гэмпшир, 2016, – спутники измеряют смещения ледяного покрова, вызванные движущимися транспортными средствами. Cold Regions Science and Technology, 133, стр. 56–62.
26. Gee, Marcus (23 февраля 2020 г.). «Тонкая белая линия: как строятся и поддерживаются безопасные для вождения зимние дороги Северного Онтарио». The Globe and Mail . Получено 11 апреля 2022 г.
27. PD Barrette, «Укрепление ледяного покрова: краткое изложение предыдущих полномасштабных сценариев и их актуальность для зимней дорожной инфраструктуры Канады», в Транспортной ассоциации Канады (TAC) [онлайн], https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/ft/?id=9cd7da4c-b1fc-4949-b0b2-2e68f378fbb8 (2021).
28. Гончарова, Г. Ю.; Борзов, С. С.; Борщев, Г. В. (13 июля 2023 г.). «Новые технологии строительства ледовых дорог для поддержания устойчивой холодовой цепи поставок в северных регионах России». Пищевые системы . 6 (2): 245–254. doi : 10.21323/2618-9771-2023-6-2-245-254 . ISSN  2618-7272.
29. Bosnjak, J.; Coko, NB; Jurcevic, M.; Klarin, B.; Nizetic, S. (4 декабря 2023 г.). «Использование армированного льда в качестве альтернативного строительного материала в холодных регионах: обзор». Архивы термодинамики . doi : 10.24425/ather.2023.147547 . ISSN  1231-0956.
30. Хори, И. и Гоф, Вашингтон, 2018, «Состояние канадских зимних дорог к югу от 60-й параллели: исторический климатический анализ и прогнозируемые будущие изменения на основе прогнозов климатической модели», Indigenous and Northern Affairs, Торонто.
31. Кулоглу, Т.З., 2020, «Влияние изменения климата на лесозаготовительные работы и зимние дороги: затраты и стратегии смягчения последствий», Университет Альберты, Эдмонтон, «Коренные народы и северные дела», Торонто.

Внешние ссылки

• Министерство транспорта правительства Северо-Западных территорий - Ледовые дороги / Ледяные мосты / Зимние дороги
• Отчеты правительства Северо-Западных территорий о состоянии автомагистралей
• Строительство грандиозной ледяной дороги в Канаде, статья в Popular Mechanics .